DASAR PENYIMPANAN ENERGI KIMIA

2.1 Prinsip Dasar Sel Elektrokimia 2.1.1 Reaksi Oksidasi Reduksi

Dalam reaksi oksidasi / reduksi, elektron dipindahkan dari satu reaktan ke reaktan lainnya. Contohnya adalah oksidasi ion besi (II) oleh ion cerium (IV). Reaksi yang terjadi sebagai berikut (Skoog et al., 2014).

Ce⁴⁺ + Fe²⁺ ⇌ Ce³⁺ + Fe³⁺

Dalam reaksi ini, sebuah elektron ditransfer dari Fe²⁺ ke Ce⁴⁺ untuk membentuk ion Ce³⁺

dan Fe³⁺. Zat yang memiliki afinitas kuat terhadap elektron, seperti Ce⁴⁺, disebut zat pengoksidasi, atau oksidator. Zat pereduksi, atau reduktor, adalah spesies seperti Fe²⁺, yang menyumbangkan elektron ke spesies lain. Kita mengatakan bahwa Fe²⁺ dioksidasi oleh Ce⁴⁺; sama halnya, Ce⁴⁺ direduksi oleh Fe²⁺. Kita dapat membagi reaksi oksidasi/reduksi tersebut menjadi dua reaksi setengah yang menunjukkan spesies mana yang mendapatkan elektron dan yang kehilangan elektron (Skoog et al., 2014; Christian et al., 2014).

Ce⁴⁺ + e⁻ ⇌ Ce³⁺ (Reduksi Ce⁴⁺) Fe²⁺ ⇌ Fe³⁺ + e⁻ (Oksidasi Fe²⁺)

Mengetahui bagaimana menyeimbangkan reaksi redoks sangat penting untuk memahami semua konsep yang akan dibahasi. Untuk latihan, kami akan menyelesaikan dan menyeimbangkan reaksi berikut setelah menambahkan H⁺, OH^-, atau H2O sesuai kebutuhan (Skoog et al., 2014)

MnO₄⁻ + NO₂⁻ ⇌ Mn²⁺ + NO₃⁻

Pertama kita menulis dan menyeimbangkan setengah reaksi. Untuk MnO4

ditulis MnO₄⁻ ⇄ Mn²⁺

Untuk menyeimbangkan 4 atom O di sisi kiri, kami menambahkan 4 molekul H2O di sisi kanan.

Lalu, untuk menyeimbangkan atom hidrogen, kita harus menyediakan 8 mol H⁺ di sebelah kiri:

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ ⇄ Mn²⁺ + 4H2O Untuk setengah reaksi yang lain

NO₂⁻ ⇄ NO₃⁻

kami menambahkan satu H2O ke sisi kiri reaksi untuk menyeimbangkan oksigen dan 2H⁺ di sebelah kanan untuk menyeimbangkan hidrogen:

NO₂⁻ + H2O ⇄ NO₃⁻ + 2H⁺

Kemudian kita menambahkan 2 elektron dikanan untuk menyeimbangkan jumlah muatan NO₂⁻ + H2O ⇄ NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻

Sebelum menggabungkan dua reaksi, kita harus mengalikan yang pertama dengan 2 dan yang kedua dengan 5 sehingga jumlah elektron yang hilang akan sama dengan jumlah elektron yang diperoleh. Kami kemudian menambahkan dua setengah reaksi untuk mendapatkan

2MnO₄⁻ + 16H⁺ + 10e⁻+ 5NO₂⁻ + 5H2O ⇄ 2Mn²⁺ + 8H2O + 5NO₃⁻ + 10H⁺ + 10e⁻ disederhanakan menjadi

2MnO₄⁻ + 6H⁺ + 5NO₂⁻ ⇄ 2Mn²⁺ + 3H2O + 5NO₃⁻

Gambar 2.1 Sel Galvani (Skoog et al., 2014)

2.1.2 Sel Elektrokimia

Sel elektrokimia terdiri dari dua konduktor yang disebut elektroda, yang masing-masing direndam dalam larutan elektrolit. Dalam sebagian besar sel elektrokimia, larutan yang mengelilingi dua elektroda berbeda dan harus dipisahkan untuk menghindari reaksi langsung antara reaktan. Cara paling umum untuk menghindari pencampuran adalah dengan memasukkan jembatan garam diantara larutan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.1.

Konduksi listrik dari satu larutan elektrolit ke yang lain kemudian terjadi melalui migrasi ion kalium di jembatan dalam satu arah dan ion klorida di yang lain. Namun, kontak langsung antara logam tembaga dan ion perak dicegah (Skoog et al., 2014; Dainel and Besenhad, 2011).

2.1.2.1 Anoda dan Katoda

Katoda dalam sel elektrokimia adalah elektroda tempat reduksi terjadi dan anoda adalah elektroda di mana oksidasi terjadi. Contoh reaksi katodik yang khas meliputi (Skoog et al., 2014).

Ag⁺ + e⁻ ⇄ Ag(s)

Fe³⁺ + e⁻ ⇄ Fe²⁺

NO3-

+ 10H⁺ + 8e⁻ ⇄ NH4+

+ 3H2O

Kita dapat memaksakan reaksi yang diinginkan terjadi dengan menerapkan potensial yang cocok untuk elektroda yang terbuat dari bahan yang tidak reaktif seperti platinum. Perhatikan bahwa reduksi NO3

dalam reaksi ketiga mengungkapkan bahwa anion dapat bermigrasi ke katoda dan direduksi (Skoog et al., 2014).

Reaksi anodik yang khas termasuk

Cu(s)

⇄ Cu²⁺ + 2e⁻ 2Cl^- ⇄ Cl2(g) + 2e⁻ Fe²⁺ ⇄ Fe³⁺ + e⁻ 2.1.2.2 Tipe Sel Elektrokimia

Ada dua jenis sel elektrokimia, volta (galvanik) dan elektrolisis. Mereka juga dapat diklasifikasikan sebagai reversibel dan ireversibel (Christian et al., 2014). Galvanik, atau volta, sel yang menghasilkan energi listrik. Baterai adalah contoh umum sel volta. Baterai biasanya dibuat dari beberapa sel yang terhubung secara seri untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi daripada yang dapat dihasilkan oleh sel tunggal. Reaksi pada dua elektroda dalam sel tersebut cenderung berlangsung secara spontan dan menghasilkan aliran elektron dari anoda ke katoda melalui konduktor eksternal. Dalam sel reversibel, membalik arah aliran elektron akan mengubah arah reaksi elektrokimia dan dalam sel yang ireversibel, mengubah arah arus menyebabkan setengah reaksi yang berbeda terjadi pada satu atau kedua elektroda. Baterai

penyimpanan asam timbal dalam mobil adalah contoh umum dari serangkaian sel yang dapat dibalik. Ketika pengisi daya eksternal atau generator mengisi baterai, sel-selnya bersifat elektrolisis. Ketika digunakan untuk mengoperasikan lampu depan, radio, atau kunci kontak, sel-selnya galvani (Skoog et al., 2014).

2.1.2.3 Notasi Sel

Kimiawan sering menggunakan notasi singkat untuk menggambarkan sel elektrokimia, sebagai contoh:

Cu ǀ Cu²⁺ (0.0200 M) ǀǀ Ag⁺ (0.0200 M) ǀ Ag

Sesuai kaidah, garis vertikal pertama dalam skema ini menunjukkan bahwa potensial berkembang pada batas fase antara elektroda tembaga dan larutan tembaga sulfat. Garis vertikal ganda mewakili batas dua fase, satu di setiap ujung jembatan garam. Ada liquid junction potential di masing-masing antarmuka ini. Liquid junction potential ini adalah hasil dari perbedaan dalam laju di mana ion dalam kompartemen sel dan jembatan garam bermigrasi melintasi antarmuka. Junction potential dapat berjumlah beberapa ratus volt tetapi bisa sangat kecil jika elektrolit di jembatan garam memiliki anion dan kation yang bermigrasi pada laju yang hampir sama. Suatu larutan jenuh kalium klorida, KCl, adalah elektrolit yang paling banyak digunakan. Elektrolit ini dapat mengurangi junction potential menjadi beberapa milivolt atau kurang. Ada juga beberapa contoh sel yang tanpa junction potential dan oleh karena itu tidak memerlukan jembatan garam (Skoog et al., 2014)

2.1.3 Potensial Sel dan Potensial Elektroda Standar

Potensial sel adalah perbedaan antara dua sel setengah atau potensial elektroda tunggal, satu yang terkait dengan reaksi setengah pada elektroda tangan kanan (

E

_kanan) dan lainnya yang terkait dengan setengah reaksi pada elektroda tangan kiri (

E

_kiri). Menurut kaidah IUPAC, selama liquid junction potential diabaikan atau tidak ada, kita dapat menulis potensial sel Ecell sebagai